Bilgisayar Mühendisliğine Giriş

PROGRAMLAMA DİLLERİ

“Programlama Dilleri” ni neden öğrenmeliyiz?

Programlama alanları

Dil değerlendirme kriterleri

Dil tasarımı üstündeki etkiler

Dil kategorileri

Gerçekleştirim metodları

Programlama ortamları

“Programlama Dilleri” ni neden öğrenmeliyiz?

Fikirlerimizi ifade etmemizi kolaylaştırır.

Uygun dil seçmek için konuyla ilgili altyapımızı sağlamlaştırır.

Yeni dil öğrenme becerimiz artar.

Gerçekleştirimin (implementation) önemini kavramamızı

sağlar.

Bilgisayar programlama çalışmalarımızda çok daha başarılı

olmamızı sağlar.

Programlama Alanları (Programming Domains)

Bilimsel uygulamalar

◦ Çok sayıda kayan nokta (floating-point) hesaplamaları

◦ Fortran

İş yaşamı uygulamaları

◦ Rapor oluşturma

◦ COBOL

Yapay zeka

◦ Sayılar yerine sembollerle yapılan hesaplamalar

◦ LISP

Sistem programlama

◦ Sürekli kullanımdan ötürü hızlı bir sistem yaratılması

◦ C

Web yazılımları

◦ Birçok dilin derlenmiş koleksiyonu: markup (örn. XHTML), scripting (örn. PHP), genel amaçlı (örn. Java)

Dil Değerlendirme Kriterleri (Language Evaluation Criteria)

Okunabilirlik (Readability): O dille yazılan bir programın

okunmasının kolay ve anlaşılırlığının yüksek olması gereklidir.

Yazılabilirlik (Writability): Program yaratmak için dilin

kolaylıkla kullanılabiliyor olması gereklidir.

Güvenilirlik (Reliability): Dilin beklentilere ve standartlara

uygun olması gereklidir.

Maliyet (Cost): Faydası maliyetinden yüksek olmalıdır.

Değerlendirme Kriterleri:

Okunabilirlik “Overall Simplicity”

◦ Yönetimi kolay özellikler/yapılar bulunması

◦ Aynı operasyonlar için farklı farklı özelliklerin/yapıların bulunmaması

◦ Operatör yüklemelerinin en az seviyede olması

“Orthogonality”

◦ Az sayıda ilkel/basit yapıların yine az sayıda yöntem kullanılarak birleştirilmesi

◦ Her kombinasyonun doğru (legal) olması

“Control statements”

◦ İyi organize edilmiş kontrol deyimlerinin bulunması (örn., while deyimi)

“Data types and structures”

◦ Veri yapılarının iyi tanımlanmış olması

“Syntax considerations”

◦ Karmaşık ifadelerin oluşturulması için belirli özel deyimlerin kullanılması

◦ Anlamlı anahtar sözcükler ve anlaşılabilir yapılar kullanılması

Değerlendirme Kriterleri:

Yazılabilirlik

“Simplicity and orthogonality”

◦ Az sayıda ilkel/basit yapıların yine az sayıda kural kullanılarak

birleştirilmesi

“Support for abstraction”

◦ Karmaşık yapıların ya da operasyonların ,gereksiz detayları göz ardı etmeye olanak sağlayacak şekilde, tanımlanabilmesi ve kullanılabilmesi

“Expressivity”

◦ Operasyonları ifade etmek için uygun deyimler bulunması

◦ Örn: for deyiminin tüm modern dillere eklenmesi

Değerlendirme Kriterleri:

Güvenilirlik

“Type checking”

◦ Yazım hatalarına karşı testleri yapılmış olmalı

“Exception handling”

◦ Yürütme süresi (run-time) hataları önlenmeli, önlenemediği

durumlarda ise program tarafından düzeltilip çalışmaya devam

edilmeli

“Aliasing”

◦ Aynı hafıza lokasyonu için iki veya daha fazla sayıda ayrı referans

metodunun bulunması

“Readability and writability”

◦ Bir programı yazmak ve kodunu anlamak ne kadar kolaysa, doğru

olarak çalışma şansı da o kadar yüksek olacaktır.

Değerlendirme Kriterleri:

Maliyet

Maliyet için gözönüne alınması gerekenler:

◦ Dili kullanabilmeleri için programcıların eğitilmesi

◦ Programların yazılması

◦ Programların derlenmesi (compile)

◦ Programların çalıştırılması (execute)

◦ Programın hayata geçirilmesi: ücretsiz derleyicilerin

(compiler) bulunması

◦ Güvenilirlik düşük güvenilirlik yüksek maliyet demektir

◦ Program güncellemelerinin ve olası değişikliklerin

uygulanması

Diğer Değerlendirme Kriterleri

“Portability”

◦ Programların bir uygulamadan diğerine geçişlerinin kolay

olması

“Generality”

◦ Çok sayıda uygulama alanı olması

“Well-definedness”

◦ Dilin bütünlük ve kesinlik içeren bir tanımlamasının bulunması

Dil Tasarımı Üzerindeki Etkiler

Bilgisayar Mimarisi

◦ Programlama dilleri yaygın bilgisayar mimarisine (von Neumann) uygun olarak geliştirilir

Programlama Metodolojileri

◦ Yeni yazılım geliştirme metodolojileri (örn. nesne yönelimli yazılım geliştirme) yeni programlama metodlarının ve dolayısıyla yeni programlama dillerinin ortaya çıkmasını sağlar

Bilgisayar Mimarisinin Etkileri

En bilinen bilgisayar mimarisi: Von Neumann

◦ Veri ve programlar hafızada saklanır

◦ Hafıza CPU’dan ayrıdır

◦ Komutlar ve veriler hafızadan CPU’ya aktarılır

◦ Bu mimariye uygun baskın dillerin özellikleri

Değişkenler hafıza hücrelerinin birer modelidir

Atama ifadeleri (assignment statements) veri aktarımının birer modelidir

İterasyonlar verimlidir

von Neumann Mimarisi

Von Neumann Bottleneck

Bir bilgisayarın hafızasıyla işlemcisi arasındaki bağlantı hızı

bilgisayarın hızını belirler

Program yönergeleri genellikle bu bağlantı hızından çok

daha hızlı bir şekilde çalıştırılır ve bu sebeple bilgisayarın

hızı bir darboğaz (bottleneck) haline gelir

Bu durum von Neumann darboğazı olarak adlandırılır ve

bilgisayarın hızıyla ilgili temel sınırlama faktörüdür

Programlama Metodolojilerinin Etkileri

1950’ler ve 1960’ların başı: Basit uygulamalar; Makine verimliliğine yönelik kaygılar

1960’ların sonu: İnsan verimliliği; okunabilirlik ve daha iyi kontrol yapıları önem kazandı ◦ Yapısal (structured) programming

◦ Yukardan-aşağıya (top-down) tasarım ve adım-adım düzenleme

1970’lerin sonu: Süreç-tabanlı tasarımlardan veri-tabanlı tasarımlara geçiş ◦ Veri soyutlama (data abstraction)

1980’lerin ortaları: Nesne yönelimli programlama ◦ Veri soyutlama + kalıtım + polimorfizm

Programlama Dili Kategorileri

“Imperative” ◦ Merkez yapıyı değişkenler, atama ifadeleri ve iterasyon oluşturur

◦ Örn: C, Pascal

“Functional” ◦ Verilen parametrelere fonksiyonları uygulayarak hesaplamalar yapma

temeline dayanır

◦ Örn.: LISP, Scheme

“Logic” ◦ Kural-tabanlı (Rule-based)

◦ Örn: Prolog

“Object-oriented” ◦ Veri soyutlama, kalıtım

◦ Örn: Java, C++

Markup ◦ Programlama dili değil, dokumanların genel gorunumlerini düzenlemek

amacıyla kullanılır

◦ Örn: XHTML, XML

Programlama Dilleri Tasarımı

Güvenilirlik X Yürütme giderleri ◦ Örn: Java tüm dizi elemanlarının referanslarının düzgün indexleme

için kontrol edilmesini talep eder ama bu yürütme giderlerini arttıran bir durumdur

Okunabilirlik X Yazılabilirlik

◦ Örn: APL karmaşık programların yazılabilirliği arttırmak için birçok güçlü operatör ve çok sayıda yeni sembol sunar ancak bu durum programların okunabilirliğini ciddi şekilde düşürür

Yazılabilirlik X Güvenilirlik

◦ Örn: C++ işaretçileri oldukça güçlü ve esnek bir yapıdadır ancak güvenilir bir biçimde kullanılmaları zordur

Gerçekleştirim Metodları

Derleme (Compilation)

◦ Programlar makine diline çevrilir

Yorumlama (Interpretation)

◦ Programlar bir yorumlayıcı (interpreter) vasıtasıyla

yorumlanır

Hibrid gerçekleştirim sistemleri

◦ Derleyiciler ve yorumlayıcıların birlikte kullanımı

Derleme (Compilation)

Üst-seviye programı (kaynak dili) makine koduna (makine dili) çevirir

Çevirim yavaş, yürütme hızlıdır

Derleme işleminin birçok fazı bulunmaktadır:

◦ Sözcüksel (lexical) analiz: kaynak program içindeki karakterleri sözcüksel birimlere dönüştürür

◦ Sözdizim (syntax) analizi: sözcüksel birimleri programın sözdizimsel yapısını ifade eden ayrıştırma ağaçlarına (parse tree) dönüştürür

◦ Anlambilim (semantics) analizi: orta seviye program kodunu üretir

◦ Kod üretme: makine kodu üretilir

Yorumlama (Interpretation)

Çeviri yoktur

Programların gerçekleştirimini kolaylaştırır (yürütüm aşaması

hataları kolaylıkla ve vakit kaybetmeden görüntülenir)

Daha yavaş çalışır (derlenen programlardan 10 ila 100 kat daha yavaştır)

Genellikle geniş hafıza alanına ihtiyaç duyar

Üst-seviye dillerde kullanımı yaygın değildir

Bazı “web scripting” dilleriyle (örn. JavaScript) ciddi bir geridönüş yapmıştır

Hibrit Gerçekleştirim Sistemleri

◦ Derleyiciler ve yorumlayıcıların birlikte kullanımı

Yüksek-seviyeli bir dille yazılan program kolayca yorumlanmasını sağlayacak orta-seviye bir dile çevrilir

Tek başına yorumlama sürecinin işlediği durumlardan daha hızlıdır

Örnek:

◦ Perl programları hataları yakalayabilmek için yorumlanmadan önce kısmen derlenir

◦ Java dilinin ilk uygulamaları hibrit bir gerçekleştirim sistemi kullanıyordu; orta-seviye form (byte kod) byte kod yorumlayıcısı ve run-time sistemi olan her makinede (Java Virtual Machine) programın çalışmasını sağlıyordu.

Just-in-Time Gerçekleştirim Sistemleri

Başlangıçta programları orta-seviye bir dile çevirir

Daha sonra bu dili makine koduna derler (compilation)

Makine kodu versiyonu daha sonraki çağrılar için saklanır

JIT sistemleri Java programları için sıklıkla kullanılır

.NET dilleri de JIT sistemleriyle gerçekleştirilir

Programlama Ortamları

Yazılım geliştirmek için kullanılan araçların oluşturduğu

bir koleksiyon olarak tanımlanabilir.

UNIX

◦ Eski bir işletim sistemi ve araç koleksiyonu

◦ Günümüzde genellikle UNIX üzerinde çalışan bir GUI (e.g., CDE,

KDE, or GNOME) ile kullanılır

Borland JBuilder

◦ Java dili için geliştirme ortamıdır

Microsoft Visual Studio.NET

◦ Geniş, karmaşık bir görsel ortamdır

◦ C#, Visual BASIC.NET, Jscript, J#, ve C++ dilleriyle yazılan

programlarda kullanılır

Özet

Programlama dillerini öğrenmek birçok açıdan yararlıdır ◦ Farklı yapıları kullanmamızı kolaylaştırır

◦ Uygun programlama dilini kolaylıkla seçmemize yardımcı olur

◦ Yeni bir programlama dili öğrenmemizi kolaylaştırır

Bir programlama dilini değerlendirmek için en önemli kriterler:

◦ Okunabilirlik, yazılabilirlik, güvenilirlik, maliyet

Programlama dilleri üzerindeki temel etkileri makine mimarisi

ve yazılım geliştirme metodolojileri yapmaktadır

Programlama dillerini gerçekleştirmek için ana metodlar şunlardır: ◦ Derleme ◦ Yorumlama ◦ Hibrit gerçekleştirim sistemleri